水轮机调速器和电网一次调频

水轮机调速器和电网一次调频华中科技大学魏守平水轮机调速器和电网一次调频1.水轮机调节系统2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性3.水轮机调节系统一次调频静态特性4.水轮发电机组功率增量Δp与电网频率偏差Δf之间的动态特性特性5.水轮发电机组并入电网运行的原理框图6.一次调频仿真框图及仿真7.基本结论水轮机调速器和电网一次调频1.水轮机调节系统水轮机调节系统的结构如图所示。其工作过程为：测量元件把机组转速n（频率f）、功率Pg、水头H、流量Q等参量测量出来，与给定信号和反馈信号综合后，经放大校正元件控制执行机构，执行机构操纵水轮机导水机构和桨叶机构，同时经反馈元件送回反馈信号至信号综合点。水轮机调速器和电网一次调频1.水轮机调节系统微机调速器自动调节部分框图水轮机调速器和电网一次调频1.水轮机调节系统PID结构图(1)

PID器结构图(2)水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性

电网的一次调频是针对偏离了系统额定频率（50HZ）的频率偏差，按永态转差系数（调差系数）对机组进行功率控制。它是将电网（机组）频率（转速）信号送入调速器的“频率（转速）输入”端口，频率（转速）给定值与其比较形成频率（转速）偏差，水轮机调速器根据这个偏差信号而进行调节实现的，它将频差变换为与成反比的机组频差调节功率。由于水轮机调节系统都有设定的速度变动率(功率永态差值系数)，它决定了这是一个有差调节，因而由各机组调节系统共同完成的一次调频，不可能完全弥补电网的功率差值，从而也不可能使电网频率恢复到额定频率（50Hz）附近的一个允许范围内。

水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性调速器传递函数方块图水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性为了进行电网负荷频率控制（LFC），使电网的功率差值得以弥补，从而使电网频率得以恢复，则必须采用电网的二次调频。其主要作用是：控制参加电网负荷频率控制的机组的目标功率值Pc；根据电网功率差值和频率偏差，计算出机组的新的目标功率值，送至水轮机调节系统系统的“目标功率输入”端口，使水轮机调节系统系统实现对新目标功率值的调节。当二次调频作用使电网实现了新的功率平衡、电网频率恢复到正常值时，水轮发电机组实际上是在新的目标功率值Pc确定的静态工作点运行。水轮机调节系统一次/二次调频功能框图见图1。水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性图1水轮机调节系统一次/二次调频频率(转速)－信号Fg+频率死区频率(转速)设定值fc机组目标功率+Pc

－

机组实际功率PID调节机组频率(转速)功率NT

水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性图2以静态特性的形式表示了水轮机调节系统的一次和二次调频特性。（图中未考虑电网负荷频率特性（负荷频率自调节系数））：水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性1).机组原始工况静特性曲线pc1①上A点：机组目标功率：pc1；机组实际功率：p1；机组频率：f1；速度变动率ep（(功率)永态差值系数）：；电网发生功率缺额，折算到讨论的机组：功率缺额：p3-p1；2).一次调频作用电网功率缺额，引起电网频率降低，如果不进行调节，则按静特性曲线①pc1，频率应降至，各机组根据频率偏差进行一次调频，讨论的机组增发了功率p2-p1，电网频率为f2（静特性曲线①上B点）。即讨论的机组与电网其它机组一起进行了一次调频，但电网频率为，不可能恢复到扰动前的f1。水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性3).二次调频作用若电网二次调频将讨论的机组的目标功率由pc1修正为pc2，则机组调速系统静特性由特性曲线①pc1变为特性曲线②pc2。最后的调节结果为特性曲线②上C点：机组目标功率：pc2；机组实际功率：p3；机组频率：f1；速度变动率（(功率)永态差值系数）：ep；电网的功率缺额得以补偿，系统频率也恢复到扰动前的数值f1。

水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性综上所述，电网在负荷扰动后，电网频率产生相对于频率（转速）给定的偏差，各机组的调速系统根据频率偏差Δf和（功率）调差系数ep进行一次调频，在较快的时间（8″~15″）内弥补了系统部分功率差值pc；在一次调频的基础上，电网自动发电控制（AGC，二次调频），修正相关机组的目标功率值，通过调速系统的PID调节（静态主要依靠积分调节），最终可实现电网功率平衡和频率的恢复。水轮机调速器和电网一次调频2.水轮机调节系统的负荷频率控制（LFC）特性电网一次调频对水轮机调节系统的主要技术要求1).并网发电机组均应参与电网一次调频；2).（功率）永态转差系数（火电机组调速系统称速度变动率）ep=4%~5%(DL/T1040-2007电网运行准则(TheGridOperationcode)规定：ep≤3%)；3).频率（转速）死区Ef=±0.033Hz(DL/T1040-2007电网运行准则(TheGridOperationcode)规定：在0.05Hz以内)；4).响应特性：电网频率变化超过一次调频频率死区时，机组应在15秒内响应机组目标功率，在45秒内机组实际功率与目标功率的功率偏差的平均值应在其额定功率的3%内；稳定时间应小于1min；5).负荷变化幅度限制：水电机组参与一次调频的负荷变化幅度，不加限制。一次调频功能为必备功能，不得由运行人员切除；不得在开度限制工况下运行。水轮机调速器和电网一次调频3.水轮机调节系统一次调频静态特性1).水轮机调节系统开环静特性机组并入电网运行(并联运行paralleloperation-几台机组同时向电网供电的运行方式)。分析一次调频特性时，认为二次调频不起作用，即取功率给定恒定。水轮机调节系统开环静特性（机组功率对机组频率偏差的特性）用相对值表示为：

用绝对值表示，则有：

式中：Δp—对应于频率偏差（相对量）的机组功率增量（相对量）；Fn—电网频率[Hz]；fn—电网频率相对值，；Ef—水轮机控制系统频率（转速）死区（绝对量，Hz），（50-Fn）为+，为+；（50-Fn）为负，Ef为-；—水轮机控制系统频率（转速）死区（相对量），；ep—水轮机调节系统（功率）调差系数（速度变动率）； ΔP—对应于频率偏差Δf（）[Hz]的机组功率增量[MW]；P—机组额定功率[MW]。式中的负号，表示频率偏差与功率偏差方向相反。水轮机调速器和电网一次调频3.水轮机调节系统一次调频静态特性2).水轮机调节系统闭环静特性所谓水轮机调节系统的闭环静特性，是指：机组带孤立负荷(孤立运行isolatedoperation-电网中只有一台或相当于一台机组供电的运行方式)，水轮机调节系统闭环时，机组频率对负荷扰动的静态特性。基本方程：机组在稳定工况（静态）工作时，水轮机调节系统PID控制器的积分调节输入端，必需为零，即必需满足下式：水轮机调速器和电网一次调频3.水轮机调节系统一次调频静态特性2).水轮机调节系统闭环静特性机组输入功率(Δp-ΔpL)与机组频率偏差(Δf)的静态关系为：式中：ΔpL—负荷扰动相对值；Δp—在负荷扰动下的机组功率变化值；Δf

——在负荷扰动ΔpL下的机组频率变化值；ef—频率死区相对值；ep—（功率）调差系数（速度变动率）；en— 机组、负荷频率特性系数（自调节系数）；水轮机调速器和电网一次调频4.水轮发电机组功率增量Δp与电网频率偏差Δf之间的动态特性特性水轮机调速器和电网一次调频4.水轮发电机组功率增量Δp与电网频率偏差Δf之间的动态特性特性(1).由图2易得Δf至Δp的增量传递函数为：(2).这是一个一阶惯性环节的传递函数，其时间常数是。当输入Δf为阶跃输入时，功率增量Δp的响应为：

曲线是一个指数变化规律，Δp(t)达到0.97的时间约为

水轮机调速器和电网一次调频4.水轮发电机组功率增量Δp与电网频率偏差Δf之间的动态特性特性(3).积分调节(KI)得到的功率增量ΔpKI的稳定值(也是最后的稳定值Δp)为(参见式(5))：(4).若要满足”在45秒内机组实际功率与目标功率的功率偏差的平均值应在其额定功率的3%内”的要求，仅仅依靠积分作用，则要求3.505倍的时间常数小于45s()。在微机调节器的比例调节(KP)作用下在电网频率偏差Δf，依靠比例增益KP得到的机组功率增量为常数：水轮机调速器和电网一次调频4.水轮发电机组功率增量Δp与电网频率偏差Δf之间的动态特性特性在微机调节器的比例调节(KP)和积分调节(KI)的共同作用下水轮机调速器和电网一次调频4.水轮发电机组功率增量Δp与电网频率偏差Δf之间的动态特性特性数字实例(1).ep=0.05，KP=10，KI=1.6(1/s)(对应的暂态转速差值系数bt=0.1,缓冲时间常数Td=5.55s)(2).45s时,机组实际功率与目标功率的功率偏差为2.73%，小于要求的3%。水轮机调速器和电网一次调频5).根据以上的分析可以得出下列结论：(1).电网一次调频工况下，影响机组实际功率响应特性的参数是微机调速器的积分增益KI和比例增益KP，其中，起主要作用的是积分增益KI。(2).以上理论分析表明，微机调速器比例积分(PI)调节的比例增益KP和积分增益KI推荐值为：由于电网一次调频的动态过程是一个较慢速的过程，机组惯性时间常数Ta、水流时间常数Tw、电网自调节系数en、接力器最短开机和关机时间Ts等参数，对于电网一次调频的动态过程没有实质性的影响。

水轮机调速器和电网一次调频5.水轮发电机组并入电网运行的原理框图水轮发电机组并入电网运行的原理框图水轮发电机组并入电网开环运行及仿真的原理框图

水轮机调速器和电网一次调频5.水轮发电机组并入电网运行的原理框图在电站现场检验水轮机调节系统是否满足电网一次调频的技术要求，可以采用2种试验方法：(1).闭环近似试验法水轮机控制系统系统正常运行，选择电网频率相对稳定的运行时段(例如在半夜零时以后)，认为试验时电网频率基本稳定、不随试验机组的出力变化而变化；阶跃变化微机调速器的频率给定fc，录制机组有功功率变化曲线(波形)，根据实测波形检验水轮机调节系统是否满足电网一次调频的技术要求。这种试验方法安全可靠，但是，试验中的电网频率变化将影响试验结果。(2).开环试验法在做好安全措施的前提下，切断微机调速器的频率测量信号，使水轮机调节系统在开环状态运行；阶跃变化微机调速器的频率给定fc，录制机组有功功率变化曲线(波形)，根据实测波形检验水轮机调节系统是否满足电网一次调频的技术要求。这种试验方法不受电网频率变化的影响，能得到准确的试验结果；但是，试验存在一定的事故隐患。水轮机调速器和电网一次调频6.一次调频仿真框图及仿真水轮机调速器和电网一次调频6.一次调频仿真框图及仿真1).仿真基本参数ep=0.05，KP=10，KI=1.6(1/s)(对应的暂态转速差值系数bt=0.1，缓冲时间常数Td=5.55s)，频率给定阶跃(相对值为0.004)，频率死区Ef=0.033Hz(相对值为0.00066)，实际起作用的频率阶跃值为0.167Hz(相对值0.00334)，稳定后的功率增量等于功率增量的积分分量ΔpKI：：比例作用产生的功率增量DpKP为：其动态特性表达式为：在以下的仿真中采用下列基本参数：速度变动率(功率转速差值系数)：ep=0.05；水流时间常数：Tw=2.1s；机组及负荷惯性时间常数：Ta=8.43s；负荷自调节系数：en=1.0；接力器响应时间常数：Ty=0.1s；接力器最短开启和关闭时间Ts=10s；水轮机调速器和电网一次调频6.一次调频仿真框图及仿真积分增益KI取值对于电网一次调频的动态过程影响的仿真

水轮机调速器和电网一次调频6.一次调频仿真框图及仿真积分增益KI取值对于电网一次调频的动态过程影响的仿真①.曲线2满足公式，其一次调频动态过程满足电网对于一次调频的动态性能要求；②.积分增益KI愈大，一次调频动态过程中的机组功率趋近稳定值的速度愈快，但是，如果选择过小的积分增益KI将对电网的动态稳定不利；③.动态过程初期的反向调节，是由引水系统的水击(水锤)效应(水流时间常数TW)引起的；比例作用(KP)作用的近似反映在图中+0.017与水击效应引起的-0.017之差，即：

水轮机调速器和电网一次调频6.一次调频仿真框图及仿真比例增益KP取值对于电网一次调频的动态过程影响的仿真水轮机调速器和电网一次调频6.一次调频仿真框图及仿真比例增益KP取值对于电网一次调频的动态过程影响的仿真(1).曲线1、2和3均满足要求，其一次调频动态过程满足电网对于一次调频的动态性能要求；(2).比例增益KP愈大，一次调频动态过程中的机组功率趋近稳定值的速度愈快，但是3条动态波形相差不大，起主要作用的仍然是积分增益KI；(3).动态过程初期的反向调节，是由引水系统的水击(水锤)效应(水流时间常数TW)引起的；比例作用(KP)作用的近似反映在图中+0.017与水击效应引起的-0.017之差，即：

水轮机调速器和电网一次调频7.基本结论经过大量的水电站现场试验和仿真研究，可以得到下列结论：（1）.